CN103100358A - 一种磁性纳米离子液体复合微粒及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁性纳米离子液体复合微粒及其制备方法和在去除水体中污染物中的应用。磁性纳米离子液体复合微粒的制备是先利用油酸铁为铁源，化学沉淀法合成磁性Fe3O4纳米颗粒；以该纳米磁性粒子为核，正硅酸乙酯和硅烷偶联剂为硅源，利用溶胶-凝胶法制得表面氨基功能化的纳米核壳式磁性二氧化硅。以N,N-羰基二咪唑（CDI）和含有羧基的离子液体反应合成功能化离子液体，通过功能化离子液体与磁性纳米二氧化硅微粒表面的氨基反应，制备磁性纳米离子液体复合微粒，用于去除水体中污染物的方法。本发明的方法操作简便、成本低、处理工艺简单、去除效率高。

Description

一种磁性纳米离子液体复合微粒及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，特别涉及一种磁性纳米离子液体复合微粒及其制备方法和在去除水体中污染物中的应用。
背景技术
随着经济的迅猛发展，水环境污染日益严重，有机污染物日积月累并持久存在，已严重危害到生态系统的健康和人类社会的可持续发展。除了难以降解外，它们还具有较高的生物毒性和致癌、致畸、致突变性。因此，研究开发高效、经济的废水处理新技术成为全世界环保工作者关心的热点。
离子液体（Ionic Liquids）是由体积较大的有机阳离子和体积较小的无机阴离子组合而成的在室温或低温下呈液态的离子化合物。具有溶解范围广、电化学窗口宽、良好的热稳定性、“零”蒸气压、使用方便等优点，兼有液体和固体材料功能的“固态”液体，是传统高挥发性、有毒、易燃、易爆的有机溶剂或高腐蚀性等污染环境物的理想替代品，为环境友好的绿色溶剂，适宜于当前所倡导的清洁技术和可持续发展的要求，已经越来越被人们广泛认可和接受。
离子液体具有较高粘度，在萃取水中有机污染物时，两相界面较小、回收困难以等问题，限制了离子液体的有效使用。磁性纳米材料不仅具有高比表面积及良好的分散性，而且具有顺磁性，将离子液体与磁性纳米二氧化硅微粒进行复合化的技术可以有效提高离子液体和水相之间的界面，降低离子液体在水相中的溶解度，实现离子液体的快速回收，有望在除去水体中污染物的领域中具有广泛的应用。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的首要目的在于提供一种磁性纳米离子液体复合微粒的制备方法；该方法基于磁性纳米二氧化硅微球为载体，通过化学反应，将离子液体以共价键结合在磁性纳米材料表面；具体是以油酸铁为铁源，化学沉淀法合成磁性Fe3O4纳米颗粒；以该纳米磁性粒子为核，正硅酸乙酯和硅烷偶联剂为硅源，利用溶胶-凝胶法制得表面氨基功能化的纳米核壳式磁性二氧化硅。以N,N-羰基二咪唑(CDI)和含有羧基的离子液体反应合成功能化离子液体，通过功能化离子液体与磁性纳米二氧化硅微粒表面氨基反应制备出磁性纳米离子液体复合微粒。
本发明的又一目的在于提供一种上述方法制备而成的磁性纳米离子液体复合微粒。
本发明的再一目的在于提供上述磁性纳米离子液体复合微粒在去除水体中污染物中的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：一种磁性纳米离子液体复合微粒的制备方法，包括以下操作步骤：
（1）将油酸铁、油酸和十八烯混合，加热至300～350℃，搅拌反应20～40分钟，冷却至室温，加入乙醇沉淀，离心分离，沉淀为磁性Fe3O4纳米微粒；将其分散于正己烷，得到浓度为0.5g/mL的磁性纳米Fe3O4溶液；将磁性纳米Fe3O4溶液、聚氧乙烯壬基苯基醚和正己烷混合并超声分散10分钟，加入氨水和正硅酸乙酯，在室温下搅拌反应24～48小时，再加入硅烷偶联剂，在室温下搅拌反应12～48小时；离心分离，固相为表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒；
（2）表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒和功能化离子液体混合，在30～50℃下，搅拌反应12～48小时；磁性分离，收集固相为磁性纳米离子液体复合微粒。
步骤（1）所述油酸铁、油酸和十八烯的质量比为6:（1～3）:（34～60）；所述油酸铁与乙醇的体积比1：100～1：300；所述聚氧乙烯壬基苯基醚的聚合度为520；所述磁性纳米Fe3O4溶液、聚氧乙烯壬基苯基醚和正己烷的体积比为1：（1～2）：（12～20）；所述磁性纳米Fe3O4溶液、氨水、正硅酸乙酯和硅烷偶联剂的体积比为10：1：（3～6）：（3～9）；所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷或N-β-(氨乙基)-γ氨丙基三甲氧基硅烷。
步骤（2）所述表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒与功能化离子液体的质量比为1：5～1：10。
步骤（2）所述功能化离子液体按照以下操作步骤制备得到：将摩尔比为6：5的N,N-羰基二咪唑（CDI）和含有羧基的离子液体混合，在30～50℃下，搅拌反应24小时后，冷却至室温，得到功能化离子液体。
所述含有羧基的离子液体为1-羧乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑三氟磺酰亚胺盐、1-羧丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-羧丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
一种由上述方法制备得到的磁性纳米离子液体复合微粒。
上述磁性纳米离子液体复合微粒在去除水体中污染物中的应用。
所述应用是在含污染物的水体中，加入磁性纳米离子液体复合微粒，在室温下反应15分钟。
所述污染物为染料、氯酚、苯胺、邻苯二甲酸酯、芳烃或苯酚。
本发明和现有技术相比，具有如下优点和有益效果：（1）本发明制备的采用磁性纳米离子液体复合微粒能够明显提离子液体的萃取速率和重复利用率，有望在除去水体中污染物的领域中得到广泛的应用；（2）本发明的方法操作简便、成本低、处理工艺简单、去除效率高。
附图说明
图1是本发明方法制备的磁性纳米离子液体复合微粒的粒径及形貌采用透射电子显微镜表征图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
以下实施例水体中污染物的浓度采用高效液相色谱法测定。
以下实施例中所使用的功能化离子液体按照以下操作步骤制备得到：将摩尔比为6：5的N,N-羰基二咪唑（CDI）和含有羧基的离子液体混合，在50℃下，搅拌反应24小时后，冷却至室温，得到功能化离子液体。所述含有羧基的离子液体为1-羧乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑三氟磺酰亚胺盐、1-羧丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-羧丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
实施例1
将1.8g油酸铁、0.30g油酸与10.2g十八烯混合，加热至320℃，搅拌反应30分钟，冷却至室温，加入180mL乙醇沉淀，离心分离，沉淀为磁性Fe3O4纳米微粒，将其分散于正己烷，得到浓度为0.5g/mL的磁性纳米Fe3O4溶液；将1.0mL磁性纳米Fe3O4溶液、1.0mL聚氧乙烯壬基苯基醚（聚合度520）与12mL正己烷混合并超声分散10分钟，加入0.1mL氨水和0.3mL正硅酸乙酯，在室温下，搅拌反应48小时，再加入0.3mL N-β-(氨乙基)-γ氨丙基三甲氧基硅烷，在室温下，搅拌反应48小时，离心分离，得到表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒；1.0g表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒和5.0g功能化离子液体混合，在30℃下，搅拌反应48小时；磁性分离，收集固相为磁性纳米离子液体复合微粒，其粒径及形貌采用透射电子显微镜表征图。图1结果表明，磁性纳米离子液体复合微粒为纳米结构。在100mL、浓度为1mg/mL、分别含有苯酚、邻苯二酚或间苯二酚污染物水体中，加入1g磁性纳米离子液体复合微粒，在室温下反应15分钟。水体中污染物的去除率（%）如表1所示，表1结果表明，磁性纳米离子液体复合微粒可以有效除去水体中的污染物。
表1 实施例1磁性纳米离子液体复合微粒对水体中污染物去除率
Figure BDA00002619353500041
Figure BDA00002619353500051
实施例2
4.8g油酸铁、1.6g油酸与32g十八烯混合，加热至300℃，搅拌反应40分钟，冷却至室温，加入720mL乙醇沉淀，离心分离，沉淀为磁性Fe3O4纳米微粒，将其分散于正己烷，得到浓度为0.5g/mL的磁性纳米Fe3O4溶液；将1.0mL磁性纳米Fe3O4溶液、1.5mL聚氧乙烯壬基苯基醚（聚合度520）与15mL正己烷混合并超声分散10分钟，加入0.1mL氨水和0.4mL正硅酸乙酯，在室温下，搅拌反应24小时，再加入0.4mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷，在室温下搅拌反应12小时，离心分离，得到表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒；1.0g表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒和5.0g功能化离子液体混合，在30℃下，搅拌反应24小时；磁性分离，收集固相为磁性纳米离子液体复合微粒。在100mL、浓度为0.05mmol/L、分别含有蒽醌染料（活性蓝62）、偶氮染料（甲基红）或三芳基甲烷染料（溴甲酚绿）污染物水体中，加入1g磁性纳米离子液体复合微粒，在室温下反应15分钟。水体中污染物的去除率（%）如表2所示，表2结果表明，磁性纳米离子液体复合微粒可以有效除去水体中的污染物。
表2 实施例2磁性纳米离子液体复合微粒对水体中污染物去除率
实施例3
3.6g油酸铁、0.60g油酸与32g十八烯混合，加热至350℃，搅拌反应20分钟，冷却至室温，加入1080mL乙醇沉淀，离心分离，沉淀为磁性Fe3O4纳米微粒，将其分散于正己烷，得到浓度为0.5g/mL的磁性纳米Fe3O4溶液；将2.0mL磁性纳米Fe3O4溶液、4.0mL聚氧乙烯壬基苯基醚（聚合度520）与40mL正己烷混合并超声分散10分钟，加入0.2mL氨水和1.2mL正硅酸乙酯，在室温下，搅拌反应36小时，再加入1.8mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷，在室温下，搅拌反应24小时，离心分离，得到表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒；1.0g表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒和10.0g功能化离子液体混合，在40℃下，搅拌反应12小时；磁性分离，收集固相为磁性纳米离子液体复合微粒。在100mL、浓度为0.05mmol/L、分别含有邻氯苯酚、间氯苯酚、三氯苯酚、五氯苯酚或对氯苯酚污染物水体中，加入1g磁性纳米离子液体复合微粒，在室温下反应15分钟。水体中污染物的去除率（%）如表3所示，表3结果表明，磁性纳米离子液体复合微粒可以有效除去水体中的污染物。
表3 实施例3磁性纳米离子液体复合微粒对水体中污染物去除率
Figure BDA00002619353500061
实施例4
1.8g油酸铁、0.30g油酸与10.2g十八烯混合，加热至330℃，搅拌反应30分钟，冷却至室温，加入270mL乙醇沉淀，离心分离，沉淀为磁性Fe3O4纳米微粒，将其分散于正己烷，得到浓度为0.5g/mL的磁性纳米Fe3O4溶液；将2.0mL磁性纳米Fe3O4溶液、2.0mL聚氧乙烯壬基苯基醚（聚合度520）与24mL正己烷混合并超声分散10分钟，加入0.2mL氨水和0.6mL正硅酸乙酯，在室温下搅拌反应24小时，再加入0.6mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷，在室温下搅拌反应24小时，离心分离，得到表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒；1g表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒和5.g功能化离子液体混合，在50℃下，搅拌反应12小时；磁性分离，收集固相为磁性纳米离子液体复合微粒。在100mL、浓度为0.05mmol/L、分别含有2,6-二氯酚、2,4-二氯酚或2,3-二氯酚污染物水体中，加入1g磁性纳米离子液体复合微粒，在室温下反应15分钟。水体中污染物的去除率（%）如表4所示，表4结果表明，磁性纳米离子液体复合微粒可以有效除去水体中的污染物。
表4 实施例4磁性纳米离子液体复合微粒对水体中污染物去除率
Figure BDA00002619353500071
实施例5
9.0g油酸铁、1.5g油酸与75g十八烯混合，加热至320℃，搅拌反应30分钟，冷却至室温，加入900mL乙醇沉淀，离心分离，沉淀为磁性Fe3O4纳米微粒，将其分散于正己烷，得到浓度为0.5g/mL的磁性纳米Fe3O4溶液；将2.0mL磁性纳米Fe3O4溶液、2.0mL聚氧乙烯壬基苯基醚（聚合度520）与30mL正己烷混合并超声分散10分钟，加入0.2mL氨水和0.8mL正硅酸乙酯，在室温下搅拌反应24小时，再加入1.0mL N-β-(氨乙基)-γ氨丙基三甲氧基硅烷,在室温下搅拌反应12小时，离心分离，得到表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒；1.0g表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒和7.0g功能化离子液体混合，在30℃下，搅拌反应24小时；磁性分离，收集固相为磁性纳米离子液体复合微粒。在100mL、浓度为0.05mmol/L、分别含有苯、甲苯、乙苯或邻二甲苯污染物水体中，加入1g磁性纳米离子液体复合微粒，在室温下反应15分钟。水体中污染物的去除率（%）如表5所示，表5结果表明，磁性纳米离子液体复合微粒可以有效除去水体中的污染物。
表5 实施例5磁性纳米离子液体复合微粒对水体中污染物去除率
实施例6
1.8g油酸铁、0.30g油酸与10.2g十八烯混合，加热至320℃，搅拌反应30分钟，冷却至室温，加入180mL乙醇沉淀，离心分离，沉淀为磁性Fe3O4纳米微粒，将其分散于正己烷，得到浓度为0.5g/mL的磁性纳米Fe3O4溶液；将3.0mL磁性纳米Fe3O4溶液、1.8mL聚氧乙烯壬基苯基醚（聚合度520）与36mL正己烷混合并超声分散10分钟，加入0.3mL氨水和0.9mL正硅酸乙酯，在室温下搅拌反应24小时，再加入0.9mL N-β-(氨乙基)-γ氨丙基三甲氧基硅烷,在室温下搅拌反应24小时，离心分离，得到表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒；1.0g表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒和5.0g功能化离子液体混合，在40℃下搅拌反应24小时；磁性分离，收集固相为磁性纳米离子液体复合微粒。在100mL、浓度为0.02mg/L、分别含有芴、菲或蒽污染物水体中，加入1g磁性纳米离子液体复合微粒，在室温下反应15分钟。水体中污染物的去除率（%）如表6所示，表6结果表明，磁性纳米离子液体复合微粒可以有效除去水体中的污染物。
表6 实施例6磁性纳米离子液体复合微粒对水体中污染物去除率
Figure BDA00002619353500082
Figure BDA00002619353500091
实施例7
7.2g油酸铁、1.2g油酸与40.8g十八烯混合，加热至320℃，搅拌反应30分钟，冷却至室温，加入720mL乙醇沉淀，离心分离，沉淀为磁性Fe3O4纳米微粒，将其分散于正己烷，得到浓度为0.5g/mL的磁性纳米Fe3O4溶液；将3.0mL磁性纳米Fe3O4溶液、1.8mL聚氧乙烯壬基苯基醚（聚合度520）与36mL正己烷混合并超声分散10分钟，加入0.3mL氨水和0.9mL正硅酸乙酯，在室温下搅拌反应24小时，再加入0.9mL 3-氨丙基三乙氧基硅烷,在室温下搅拌反应36小时，离心分离，得到表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒；1.0g表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒和6.0g功能化离子液体混合，在30℃下室温下搅拌反应24小时；磁性分离，收集固相为磁性纳米离子液体复合微粒。在100mL、浓度为0.01mg/L、分别含有邻苯二甲酸二乙酯或邻苯二甲酸二丙酯污染物水体中，加入1g磁性纳米离子液体复合微粒，在室温下反应15分钟。水体中污染物的去除率（%）如表7所示，表7结果表明，磁性纳米离子液体复合微粒可以有效除去水体中的污染物。
表7 实施例7磁性纳米离子液体复合微粒对水体中污染物去除率
Figure BDA00002619353500092
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁性纳米离子液体复合微粒的制备方法，其特征在于包括以下操作步骤：
（1）将油酸铁、油酸和十八烯混合，加热至300～350℃，搅拌反应20～40分钟，冷却至室温，加入乙醇沉淀，离心分离，沉淀为磁性Fe3O4纳米微粒；将其分散于正己烷，得到浓度为0.5g/mL的磁性纳米Fe3O4溶液；将磁性纳米Fe3O4溶液、聚氧乙烯壬基苯基醚和正己烷混合并超声分散10分钟，加入氨水和正硅酸乙酯，在室温下，搅拌反应24～48小时，再加入硅烷偶联剂，在室温下，搅拌反应12～48小时；离心分离，固相为表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒；
（2）表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒和功能化离子液体混合，在30～50℃下，搅拌反应12～48小时；磁性分离，收集固相为磁性纳米离子液体复合微粒。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述油酸铁、油酸和十八烯的质量比为6:（1～3）:（34～60）；所述油酸铁与乙醇的体积比1：100～1：300；所述聚氧乙烯壬基苯基醚的聚合度为520；所述磁性纳米Fe3O4溶液、聚氧乙烯壬基苯基醚和正己烷的体积比为1：（1～2）：（12～20）；所述磁性纳米Fe3O4溶液、氨水、正硅酸乙酯和及硅烷偶联剂的体积比为10：1：（3～6）：（3～9）。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述硅烷偶联剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷或N-β-(氨乙基)-γ氨丙基三甲氧基硅烷。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述表面氨基功能化的纳米磁性二氧化硅微粒与功能化离子液体的质量比为1：5～1：10。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述功能化离子液体按照以下操作步骤制备得到：将摩尔比为6：5的N,N-羰基二咪唑和含有羧基的离子液体混合，在30～50℃下，搅拌反应24小时后，冷却至室温，得到功能化离子液体。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述含有羧基的离子液体为1-羧乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐、1-羧乙基-3-甲基咪唑三氟磺酰亚胺盐、1-羧丙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐或1-羧丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
7.一种根据权利要求1～6任一项所述方法制备得到的磁性纳米离子液体复合微粒。
8.根据权利要求7所述的一种磁性纳米离子液体复合微粒在去除水体中污染物中的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于：所述应用是在含污染物的水体中，加入磁性纳米离子液体复合微粒，在室温下反应15分钟。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述污染物为染料、氯酚、苯胺、邻苯二甲酸酯、芳烃或苯酚。
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